CN113652498B - 一种鉴定白化茶树品种的茶树mnp分子标记组合、方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种鉴定白化茶树品种的茶树MNP分子标记组合,所述分子标记组合包含59对引物组合,所述59对引物的序列如Seq ID No:1‑118所示。本发明还公开了含有上述MNP分子标记组合的试剂盒以及利用上述茶树MNP分子标记组合鉴定白化茶树品种的方法。本发明首次在茶树中开发了一批MNP分子标记组合,并对品种鉴定能力进行了验证。结果表明,59对引物包含的222个SNP位点可实现对18份白化茶树资源的准确鉴别,且鉴定效率高、鉴定成本低,有利于维护育种者和茶农的权益,规范市场秩序,适于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及茶树生物技术领域,特别是涉及一种鉴定白化茶树品种的茶树MNP分子标记组合、方法及应用。
背景技术
近年来,随着新培育的白化茶树品种不断增多,且个别品种的茶苗价格较高,一些商贩利用茶苗性状不易鉴定等特点,对一些茶树品种进行更名销售,导致市场上“同物异名”和“同名异物”的现象时有发生,这极大的破坏了市场秩序,因此,为了规范市场秩序,维护育种者和茶农的权益,迫切需要对茶树品种进行精准鉴别。
利用分子标记技术分析茶树种质资源的遗传多样性及亲缘关系,是阐明茶树的遗传基础及改良茶树种质资源的基础。尽管近年来,分子标记技术发展迅速,但是在茶树遗传多样性的研究中目前还主要依靠SSR分子标记技术,较少的研究逐渐应用基于覆盖全基因水平的SNP标记研究茶树的遗传多样性。
靶向测序基因型检测技术(genotyping by target sequencing,GBTS)是近几年新发展起来的一种SNP检测技术,同全基因组测序和全基因组重测序相比,该技术不需要对整个基因组进行测序;同随机简化基因组测序相比,该技术可对基因组上任意感兴趣的位点进行测序和基因型检测。因此该技术具有检测效率高、成本低、适应性广、应用灵活等特点。
常规的靶向测序基因型检测技术,仅在一个扩增子内扩增一个SNP位点;近年来,随着分子标记技术的快速发展,依托于GBTS,发展出了在一个扩增子内可同时扩增多个SNP位点的分子标记技术,即为MNP分子标记技术。该技术同SSR标记和SNP标记相比,具有更为丰富的基因型信息、更高的检出效率、更高的准确性等特点,其品种区分能力是SSR标记的数倍。该项检测技术已经在水稻、玉米、小麦、番茄等多个领域有应用,但目前未见任何关于茶树领域的应用报道,茶树领域基因组复杂度高且重复位点较多,因此,增大了MNP分子标记技术在这一领域的应用难度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种茶树MNP分子标记组合,使其能用于鉴定白化茶树品种,鉴定成本低、鉴定效率高且精准度高。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种鉴定白化茶树品种的茶树MNP分子标记组合,所述分子标记组合包含59对引物组合,所述59对引物的序列如Seq ID No:1-118所示。
作为本发明进一步地改进,所述白化茶树品种为白叶1号、中黄3号、中黄1号、黄金芽、建德白茶、黄金叶、天台白茶、景白1号、白鸡冠、中黄2号、花月、黄金菊、BJG-F1-1、BJG-F1-2、中茶129、BY-3、BY-1、BY-2中的任一种。
基于上述开发的茶树MNP分子标记组合:
本发明还提供了一种鉴定白化茶树品种的试剂盒。
以及,本发明还提供了上述茶树MNP分子标记组合在鉴定白化茶树品种中的应用。
以及,本发明还提供了利用上述茶树MNP分子标记组合鉴定白化茶树品种的方法,包括如下步骤:(1)提取待鉴定品种DNA;(2)利用MNP分子标记组合形成的液相芯片对目标区段进行深度测序;(3)对深度测序区段进行基因型分析;(4)将该待鉴定品种的所有MNP位点的基因型数据与预先建立的白化茶树品种MNP数据库进行比对,从而确定该品种名称。
进一步地,所述预先建立的白化茶树品种MNP数据库中包括18种白化茶树品种,分别为白叶1号、中黄3号、中黄1号、黄金芽、建德白茶、黄金叶、天台白茶、景白1号、白鸡冠、中黄2号、花月、黄金菊、BJG-F1-1、BJG-F1-2、中茶129、BY-3、BY-1、BY-2。。
通过采用上述技术方案,本发明至少具有以下优点:
(1)本发明选取国家种质杭州茶树圃内的18份茶树资源作为初始的实验材料,并基于18份白化茶树资源的重测序数据,首次在茶树中开发了一批MNP分子标记组合,并对品种鉴定能力进行了验证。结果表明,59对引物包含的222个SNP位点可实现对18份白化茶树资源的准确鉴别。
(2)利用本发明的茶树MNP分子标记组合进行白化茶树品种鉴定时,采用基于测序的液相芯片GBTS技术,和其它技术相比,具有检测平台的广适性、标记的灵活性、检测的高效性和信息的可加性等特点,应用前景广阔。
(3)本发明分别开发了260个标记位点、390个标记位点和650个标记位点的3套MNP标记,并通过亲缘关系对比分析,表明利用3套MNP标记分析18份茶树资源的亲缘关系具有一定的可靠性,且利用较少的MNP标记位点——260个MNP标记即能满足18份茶树的品种鉴别需求。
(4)本发明在260个MNP标记的基础上,通过设计多重PCR引物,利用GBTS技术对18份茶树资源进行靶向深度测序,通过对变异位点的分析,结果在260个MNP标记位点中,最后保留了59个MNP标记;并且对这18份茶树进行了亲缘关系分析,其亲缘关系分析结果与基于260个MNP位点和基于覆盖全基因组的SNP位点的聚类结果相一致,表明利用较少的MNP标记位点——59个MNP标记即能实现对18份白化茶树的品种区分。
(5)面对茶树基因组的复杂性,本发明通过大量实验、对比分析验证,最终获得了数量较少、成本较低的MNP分子标记组合,且该分子标记组合可实现18份白化茶树品种的精准、高效鉴定,有利于维护育种者和茶农的权益,规范市场秩序,适于推广应用。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是SNP和InDel变异分析图;其中,A.SNP变异位点统计;B.InDel变异位点统计;C.CDS区SNP位点功能注释结果统计;D.InDel区SNP位点功能注释结果统计;
图2是MNP标记在染色体上的分布图,其中,A.260个位点;B.390个位点;C.650个位点;
图3是基于MNP标记和重测序数据的18份茶树资源的进化关系分析图,其中,A.260个位点;B.390个位点;C.650个位点;D.覆盖全基因组的SNP位点;
图4是基于59个MNP标记的18份茶树资源的遗传多样性分析(进化树分析)图;
图5是18份茶树的品种间距离分析;注:品种间距离表示样本间差异MNP位点数占总MNP位点数的比例。
具体实施方式
1材料与方法
1.1实验材料
以保存于国家种质杭州茶树圃内的‘白叶1号’、‘中黄3号’、‘中黄1号’、‘黄金芽’、‘建德白茶’、‘黄金叶’、‘天台白茶’、‘景白1号’、‘白鸡冠’、‘中黄2号’、‘花月’和‘黄金菊’、‘BJG-F1-1’、‘BJG-F1-2’、‘中茶129’、‘BY-3’、‘BY-1’、‘BY-2’等18份茶树资源作为试验材料,于2020年春季采摘初展的一芽二叶新梢与液氮中固定后,保存于-80℃,用于后续的实验。
1.2MNP分子标记开发全基因组重测序建库流程
1)18份白化茶树资源,其一芽二叶新梢利用液氮研磨法迅速研磨成粉末,称取0.1g粉末至2ml离心管中,利用天根植物基因组提取试剂盒按照说明书提取基因组DNA样品。
2)利用紫外分光光度计(NanoDrop oneC)测定基因组DNA的OD260/280值,该值需要满足≥1.8;并利用Qubit检测基因组DNA的浓度,基因组DNA的浓度需要达到文库构建的量。
3)利用Covaris System超声波打断仪将基因组DNA片段化,DNA的片段长度在250bp左右。
4)利用iontorrent的全基因组文库构建试剂盒构建高通量测序文库。
5)利用iontorrent S5高通量测序仪进行全基因组的重测序。
1.3全基因组重测序数据处理
测序完成后,首先对原始数据进行质控,包括去除接头和低质量的reads;随后,将获得的clean reads利用BWA mem软件比对到舒茶早(http://tpia.teaplant.org/download.html)参考基因组上,筛选比对到参考基因组上唯一位置的reads用于后续的变异检测;利用GATK软件进行SNP和indel的筛选,SNP和indel位点的最低测序深度至少需要5×。
1.4MNP分子标记开发流程
1)用于MNP分子标记开发的SNP位点的测序深度不低于5×;
2)单个SNP位点在样本间的检出率大于80%,SNP杂合率小于10%,,缺失比例(NA)小于20%,最小等位基因突变频率(MAF)大于0.01;
3)满足上述条件的SNP位点可进行SNP位点的合并,且多个SNP位点构成的MNP区段长度小于150bp;
4)可用MNP位点需满足:SNP数在2-10之间,PIC>0.5,每个MNP区段至少有一个SNP位点的MAF>0.35;
5)筛选的MNP位点服从均匀分布的原则,并且优先选择CDS区的,MAF、PIC值高的位点。
符合上述条件的位点作为最终的一个MNP分子标记集合。
1.5MNP分子标记引物设计
利用在线设计网页https://ampliseq.com根据开发的MNP分子标记位点设计多重PCR引物,引物的3’末端不能有低复杂序列的存在。
1.6验证MNP分子标记位点的多态性
利用18份白化茶树资源,利用天根植物基因组提取试剂盒提取基因组DNA,利用NanoDrop oneC和Qubit仪器检测DNA的质量和浓度,利用扩增子测序文库构建试剂盒和多重PCR引物构建高通量测序文库,最后利用Ion torrent S5进行高通量测序。
将测序数据比对到龙井43参考基因组上,并以每对引物在参考基因组上的位置为一个窗口,分析各窗口内测序片段的基因型,进而比较不同资源的差异。
2结果与分析
2.1全基因重测序数据统计及质控
本次测序共构建18个基因组测序文库,根据每个基因组测序文库下机数据的高质量reads数目、碱基错误率等数据统计结果,同时结合数据质控分析,显示除了reads的前几个碱基存在正常的不平衡现象外,碱基质量分布基本无AT、GC分离现象。表明本次全基因组重测序测序质量良好。18份茶树资源,在测序深度5×情况下,共获得554.75G的数据量;clean reads数量在163,009,946–245,996,848之间;Q30比例在76.01-87.73%之间。
2.2比对到参考基因组数据统计
18份茶树资源分别与参考基因组进行比较,比对率在63.95-98.64%之间;同时各样本的平均覆盖深度在4.98×-8.79×之间;且在18份样本中,1×覆盖深度的clean reads为66.86%以上,5×覆盖深度的clean reads为43.42%以上,10×覆盖深度的clean reads为17.76%。表明测序片段覆盖到参考基因组上的区域较多,可检测的变异位点数目也较多,同时也表明了测序的随机性较好,可用于后续的实验需求。
2.3SNP变异检测
通过将测序数据比较到参考基因组上,18份资源共检测到155,585,639个SNP位点,其中发生转换的SNP有113,490,437个,发生颠换的SNP有42,095,202个,两者之间的比率为2.70(图1A)。并且这些SNP变异位点主要分布于基因间区、内含子区域、基因上游2Kbp、基因下游2Kbp、剪接位点以及同时位于两个基因重叠的上游和下游2Kbp内,其中以分布在基因间区的SNP位点数最多,有134,143,997个。位于剪接位点区域的SNP数最少,有9,889个。由于CDS区是基因的编码区,决定基因的是否转录,并翻译为蛋白质,最终影响生物个体间的差异。因此对位于CDS区的变异位点做进一步分析,发现发生非同义变异的SNP位点有663,135个,发生同义突变的SNP位点有450,015个,导致蛋白提前终止的SNP位点有23,394个,引起终止密码子变异的SNP位点数有2,055个(图1C)。
2.4InDel变异检测
通过将测序数据比较到参考基因组上,18份资源共检测到12,037,356个Indel标记,其中缺失片段的InDel标记有6,332,335个,发生插入片段的InDel标记有5,705,021个(图1B)。且发生在CDS编码区的InDel变异有41,151个,包括移码缺失InDel标记15,859个,移码插入InDel标记9,672个,引起编码蛋白提前终止的InDel标记有769个,引起终止密码子变异的InDel标记有164个(图1D)。
2.5茶树MNP标记的开发
本发明首次在茶树中开发MNP分子标记,目的是实现对18份白化茶树资源的精准鉴别。参考其它物种利用MNP标记鉴别不同品种所需的标记数量以及该物种的参考基因组大小。我们初步按照MNP标记在染色体上的均匀分布原则,在众多的SNP位点中进行分析、筛选、组合;分别开发了260个标记位点、390个标记位点和650个标记位点的3套MNP标记(图2A,B,C)。随后,进一步利用3套MNP标记位点对18份白化茶树资源进行了亲缘关系分析,结果表明3套标记反映出18份白化茶树资源的亲缘关系基本一致(图3A,B,C),并与基于覆盖全基因组水平的SNP聚类结果相一致(图3D),其中‘花月’和‘黄金菊’均聚为一簇、‘建德白茶’和‘黄金叶’均聚为一簇、‘白鸡冠’、‘BJG-F1-1’和‘BJG-F1-2’均聚为一簇,且‘BJG-F1-1’和‘BJG-F1-2’作为‘白鸡冠’的子代,三者间的遗传背景明确,表明了分别利用3套MNP标记分析18份茶树资源的亲缘关系具有一定的可靠性,且利用最少的MNP标记位点——260个MNP标记即能满足18份茶树的品种鉴别需求。
基于260个MNP标记,设计多重PCR引物,随后利用GBTS技术对18份茶树资源进行靶向深度测序,通过对变异位点的分析,结果显示260个MNP标记位点中,193个MNP标记位点没有检测到,5个MNP标记位点存在非特异性扩增,最后保留了59个MNP标记,如下表1。
表1 MNP引物序列
2.6基于59个MNP标记的不同茶树资源遗传多样性分析
59个MNP标记的PIC值主要分布在0.4-0.8之间,表明这些标记位点具有较高的多态性。此外,59个MNP标记包括220个SNP位点,这些SNP位点主要分布在基因间区、其次分布在外显子和内含子区域,而分布在CDS区的SNP位点数较少。为了评估59个MNP标记是否能够满足18份茶树的品种鉴别需要,我们对这18份茶树进行了亲缘关系分析,从进化树(图4)可看出,其中的‘花月’和‘黄金菊’聚为一簇、‘建德白茶’和‘黄金叶’聚为一簇、‘白鸡冠’、‘BJG-F1-1’和‘BJG-F1-2’聚为一簇,这一结果与基于260个MNP位点和基于覆盖全基因组的SNP位点的聚类结果相一致,表明59个MNP标记即能实现对18份白化茶树的品种区分。
2.7MNP分子标记的品种鉴别能力分析
品种间距离表示每对品种间的差异MNP标记的比例,品种间距离的大小可反映MNP标记的区分能力。为了明确59个MNP标记对18份茶树资源的鉴别能力,我们将18份茶树资源中的59个MNP标记位点进行了两两比对分析(图5),结果表明,‘白鸡冠’与‘BJG-F1-1’和‘BJG-F1-2’之间的品种间距离较小,均为0.36,均存在21个MNP标记的差异;其它品种间的距离分布在0.5-0.87之间,特别是‘黄金菊’和‘景白1号’间存在51个MNP标记位点的差异。结合利用59个MNP标记对18份茶树亲缘关系分析结果,说明MNP标记具有较强的品种鉴别能力。
2.8基于59个MNP标记的白化茶树品种鉴定方法
(1)提取待鉴定白化茶树品种的基因组DNA;
(2)利用MNP分子标记组合形成的液相芯片对目标区段进行深度测序,具体为:
利用前期已经过验证的59个MNP标记组成的引物混合液,对待鉴定白化茶树品种DNA进行PCR扩增,从而富集目标区段序列;
在扩增后混合液中添加测序接头、index序列,并进行第二轮PCR扩增,从而获得测序文库;
利用Ion torrent S5对测序文库进行高通量测序,获得全部59个MNP位点的500X以上的测序数据;
(3)对深度测序区段进行基因型分析;
(4)将测序获得的该待鉴定品种的所有MNP位点的基因型数据与预先构建的18个品种基因型数据库进行比对,当该品种59个MNP位点基因型与数据库中任意一品种完全吻合时,即可判定此待鉴定品种为该白化品种,并给出品种名。
综上所述,本发明选取国家种质杭州茶树圃内的18份茶树资源作为初始的实验材料,并基于18份白化茶树资源的重测序数据,首次在茶树中开发了一批MNP分子标记,并对品种鉴定能力进行了验证。结果表明,59对引物包含的222个SNP位点可实现对18份白化茶树资源的准确鉴别,且鉴定效率高、鉴定成本低,有利于维护育种者和茶农的权益,规范市场秩序,适于推广应用。
另外,在本发明中同时应用了覆盖全基因组的SNP标记以及首次在茶树中应用的MNP标记分析了18份茶树种质资源的遗传多样性。结果表明两种标记反映的遗传多样性结果相似,均是‘建德白茶’和‘黄金叶’聚为一类、‘白鸡冠’、‘BJG-F1-1’和‘BJG-F1-2’聚为一类、‘花月’和‘黄金菊’聚为一类,在两种标记反映的亲缘关系中,其它资源在聚类关系上存在一些差异。同时该结果与王松琳等(王松琳、马春雷、黄丹娟、马建强、金基强、姚明哲、陈亮.基于SSR标记的白化和黄化茶树品种遗传多样性分析及指纹图谱构建.茶叶科学.2018,38(1):58-68)利用SSR标记分析16份白化茶树资源的遗传多样性结果较为一致。从这一聚类关系来看,具有相似表型性状、具有同一遗传背景、产地相近的资源间具有相似的聚类趋势。这一结果也表明了利用MNP标记分析茶树亲缘关系的可靠性。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰,均落在本发明的保护范围内。
序列表
<110> 中国农业科学院茶叶研究所
<120> 一种鉴定白化茶树品种的茶树MNP分子标记组合、方法及应用
<160> 118
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 25
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 1
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gtcaatagac caaaagatga aggga 25
<210> 86
<211> 25
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 86
caaatatgct tagtggtcca atccc 25
<210> 87
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<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 87
gtctctatct attcgttgca ctcca 25
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<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 88
aaaaggtttg agtactttga gccag 25
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<212> DNA
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taagggaagt gcagtttgga atttc 25
<210> 90
<211> 25
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 90
tatgaagaat tgggtttggt ttggg 25
<210> 91
<211> 23
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
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tacatgagcc ccatttcaac ctc 23
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<211> 25
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 92
ttatgacatt cgtagatctt tccga 25
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<211> 24
<212> DNA
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tacttgccag aagttatgca gact 24
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<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
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agaattgtta aagtacgaac gtctat 26
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<211> 25
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
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taggggaatg gatgaacaag gagta 25
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<211> 25
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 96
cggacaagac gcatacttac ttaac 25
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<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
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tatgtccatc ttcgctatgg taagc 25
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<212> DNA
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<400> 98
taacaacgga tccaacaaag aggta 25
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<212> DNA
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tcaaagttca caaataataa ttcaaatgga 30
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<211> 25
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accatgtttg atgagaggtg tctaa 25
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<211> 25
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 101
tctgatcaaa aaccacccca gatat 25
<210> 102
<211> 24
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 102
caaagaaact ggcagatctc actg 24
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<211> 25
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
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tgatccttgt gttattcctc tctct 25
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<211> 25
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 104
aggtttggct tttattgggc taaaa 25
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<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
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tgctttagtt atagatgagt tgacga 26
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<211> 25
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 106
agttcttggt tctcaatctt cctct 25
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<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 107
tggaaatagt accaggcaac agaag 25
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<212> DNA
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<400> 108
gaattgttgg ggattggaca atgat 25
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<212> DNA
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tgtagtccct catgtgctca aag 23
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tatatttacc cacagatcac ttggc 25
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<212> DNA
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<212> DNA
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<212> DNA
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<400> 114
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<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
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<211> 25
<212> DNA
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<400> 117
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<210> 118
<211> 25
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 118
acaagagaat gtctgttttg agagc 25
Claims (5)
1.一种鉴定白化茶树品种的茶树MNP引物组合,其特征在于,包含59对引物组合,所述59对引物组合的序列如SEQ ID No.1-118所示。
2.根据权利要求1所述的鉴定白化茶树品种的茶树MNP引物组合,其特征在于,所述白化茶树品种为白叶1号、中黄3号、中黄1号、黄金芽、建德白茶、黄金叶、天台白茶、景白1号、白鸡冠、中黄2号、花月、黄金菊、BJG-F1-1、BJG-F1-2、中茶129、BY-3、BY-1、BY-2中的任一种。
3.一种鉴定白化茶树品种的试剂盒,其特征在于,包含权利要求1或2所述的鉴定白化茶树品种的茶树MNP引物组合。
4.一种权利要求1或2所述的茶树MNP引物组合在鉴定白化茶树品种中的应用,其特征在于,所述白化茶树品种为白叶1号、中黄3号、中黄1号、黄金芽、建德白茶、黄金叶、天台白茶、景白1号、白鸡冠、中黄2号、花月、黄金菊、BJG-F1-1、BJG-F1-2、中茶129、BY-3、BY-1、BY-2。
5.一种利用茶树MNP引物组合鉴定白化茶树品种的方法,其特征在于,采用权利要求1或2所述的茶树MNP引物组合来鉴定白化茶树品种,包括如下步骤:(1)提取待鉴定品种DNA;(2)利用MNP引物组合形成的液相芯片对目标区段进行深度测序;(3)对深度测序区段进行基因型分析;(4)将该待鉴定品种的所有MNP位点的基因型数据与预先建立的白化茶树品种MNP数据库进行比对,从而确定该品种名称;
所述预先建立的白化茶树品种MNP数据库中包括18种白化茶树品种,分别为白叶1号、中黄3号、中黄1号、黄金芽、建德白茶、黄金叶、天台白茶、景白1号、白鸡冠、中黄2号、花月、黄金菊、BJG-F1-1、BJG-F1-2、中茶129、BY-3、BY-1、BY-2。
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基于 SSR 标记的白化和黄化茶树品种遗传 多样性分析及指纹图谱构建;王松琳;茶叶科学;20180228;第38卷(第1期);第58-68页 * |
基于全基因组重测序的白化茶树 mSNP 标记开发及验证;刘浩然;茶叶科学;20230228;第43卷(第1期);第27-39页 * |
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